生命之光

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你听到看到的世界都是真实的吗?
发布时间:2020-12-11     作者:李治林   来源:知识就是力量   分享到:

我们都是行走的波形信号接收器。在这个充满电磁波和机械波的世界里,眼睛感知着波长为380~760纳米的电磁波——也就是“光”,耳朵感知着频率为20~20000赫兹的机械波——即所谓“声”。我们还是精密的波形信号处理器。那些光影和声音,经过层层处理,映入大脑,使我们形成对这个世界丰富的感知。所谓聪明者,耳聪目明也。然耳目所及,常有所限;视听之间,有实有虚。就让我们从科学的角度,重新审视一下视听之间的虚实世界吧。

我们如何识声辨色

声波所对应的机械振动,每秒几千次只是稀松平常。摸着喉咙或者喇叭,可以感受到它的振动,却很难分辨出声音的内容。那么,我们是如何听到声音的呢?先是耳廓把声音收集起来,通过外耳道传到鼓膜上使其振动;振动通过听小骨等传递到内耳;螺旋卷曲的耳蜗,由外到内不同部位分别对从高频到低频的振动敏感,相应位置的毛细胞感知振动并将其转化为电信号传递给听神经;信号最终传递到大脑,形成听觉。

以上四个步骤,像是电子信号处理中“集中放大、阻抗匹配、频谱分析、数据整合”的过程。其中最精妙的,还是耳蜗的“频谱分析”功能。打个比方,在一根晾衣绳上挂一排形状、材质、重量不同的衣服,左右晃动绳子,衣服就会跟着晃。有些衣服是晃得快时跟着动,有些则是晃得慢时跟着动,这就实现了频率的分辨。耳蜗就是这样一个精妙的频率分析器,它各处的敏感频率随其局部尺寸和刚度等变化,由外到内对应高频和低频。特定频率的声音只被其中一小部分区域的毛细胞所感知。

对于光波,则更复杂。人眼能看到的光,其电磁场每秒周期变化为400~800万亿次,细胞靠力学为主的机械结构是跟不上了,这就需要求助于电子。眼睛不只要看到一束光,还要看到光的空间分布,这就要有一套成像系统。那么,我们是怎样看到物体的呢?首先是角膜、晶状体等构成透镜组,将光线折射后成像到视网膜上;那里的感光细胞中有一些特殊的分子,其中的电子在光的作用下发生转移与跃迁,引起一系列生物化学反应,把光信号转变为神经冲动;眼部几类神经细胞将信息初步整理、层层传递;信息最终进入大脑的视觉中枢,形成更细致且综合的感知。

这便是“光学成像、生化感光、初步合成、综合加工”的过程。其中“生化感光”最为关键。感光细胞包含细长的视杆细胞和尖尖的视锥细胞。前者可以感受极弱的光,但无法分辨色彩。后者对弱光的敏感程度不及前者,但具有色彩分辨的能力。所谓色彩,从本质上讲,就是物理客观上的光的频率在人脑中的主观感受。不过感光可不像探声那么容易。

我们可以在耳蜗中轻松放置一排排密密麻麻的毛细胞负责不同频率的声音的探测,却很难在眼睛里放置三棱镜或光谱仪并配上一排排感光细胞,还恰好每个都对相应频率的光敏感。然而如果只有一种感光细胞,那眼里的世界就只有明暗而毫无色彩了。人类做了一些妥协,但还是比较幸运地拥有3种视锥细胞,分别负责长、中、短波长的光的探测,敏感区域大约在红、绿、蓝波段附近。这样就把看到的色彩表达为3种视锥细胞响应的组合了。

人耳结构与听觉原理

物理、生理上的视听缺陷

实际上,人体感知到的信息与真实的世界相比总是存在偏差的。引起偏差的因素体现在物理、生理、心理等多个层面上。

物理层面上,听觉方面,比如耳廓和耳道等声音的传播通道,它们本身对不同频率声波的通过效率是有差别的。耳道的长度已经天然地对3000赫兹附近的频率有了特殊照顾。

举例来说,你用纸张卷成圆筒套在耳朵上听声音,圆筒长短改变,听到的声音也有所不同。视觉方面,比如各种频率的光透过角膜和晶状体等折射时,其折射率随频率增加而增大,这会导致它们聚焦到视网膜附近时,前后位置有轻微差别,因而看起来会有一种红色更近、蓝色更远的错觉。再比如,由于光具有波动性,通过有限尺寸的瞳孔时会发生衍射,这是限制人眼分辨率的因素之一。

筒状通道对声音具有频率筛选的功能,且随其长度有所变化。

生理层面上,听觉方面,鼓膜的共振、耳蜗的尺寸质地、毛细胞的衰退老化等,都直接影响其对声音的频率响应范围,而这些是与人的个体特征有关的,比如年龄、性别、体质等。视觉方面,血管层和神经层处在视网膜感光层前方,必然会挡住一部分光,造成一些网状的阴影。

再如,感光细胞的尺寸会限制人眼的分辨率,其种类数量、可响应的频率范围,直接影响我们对色彩的感知。同样的世界,在不同人眼里有细微的差别。在具有色盲特征的人群眼里,由于其中一种或多种感光细胞异常甚至缺失,更是与他人所见相差巨大。即使同一个人看同一个物品,也会随着年龄、环境、观看过程和时长,甚至生活经验的不同而有所差别。

小的偏差,如星芒。我们都知道星星一闪一闪,是由于大气层折射率不均匀导致的。可是即使星星不“眨眼”,也还是会有隐约可见的边角出现,即所谓的“星芒”。很多绘画作品里都对此有所表现,星芒的形状也各有不同。其实它与眼球的不均匀性、非对称性,以及瞳孔边缘的不规则性、衍射效应等有关。

严重偏差,如盲点。由于神经层处在感光层前面,要汇聚信息传递到后方的大脑,就必然穿过视网膜。这个汇聚点上完全没有感光细胞,形成了一个“窟窿”,就是视觉盲点。盲点靠近眼睛偏鼻子这侧,所以如果我们闭上左眼,用右眼观察正前方时,右前方就会有一个区域成像到盲点上,完全不被感知。

人眼结构的不均匀性等可导致“星芒”的效果

神经系统开小差带来的离奇错觉

在心理层面上,以神经系统为主导产生的错觉,就更加复杂和离奇了。常见的,比如盯着一幅色彩较淡、轮廓模糊的画面一段时间,你会发现它逐渐消失了!还有盯一会儿红色物体后,再观察白色的墙壁,你会发现上面有绿色的幻影,这是视觉的负后像效应。再如,完全相同的两个物体,放在不同的背景中,其明暗和色彩看起来会有很大差异。离奇的呢,比如“无中生有”:盲点那里本来啥也看不到,可为什么我们却觉得那里有个窟窿呢?

其实这部分区域里的图像就是被我们“脑补”出来的。两段矩形条间的缝隙落在盲点上时,竟然会被“脑补”出一段区域,把它俩连接起来。甚至还有“静中见动”:由于人眼对不同色彩对比度的区域的视觉响应时间有差异,加上眼球的微跳和大脑的补偿,就会对静态的画面产生出动态的错觉。

上面这些看似都是缺陷,但在实际生活场景中却是极为有用的特征,可以帮助我们忽略不太重要的背景信息,将注意力集中到对比度高、有边有棱、动态变化、更有价值的信息上去,从而更好地适应环境。

关于听觉的错觉,同样离奇。有位音频创作者录制了“Laurel”的发音,却有很多人听完后跟读的是“Yanny”。这一方面是由于不同的人对高低频段的敏感性不同,比如对低频段敏感的人听起来就像是“Laurel”,对高频段敏感的人听起来就像是“Yanny”。另一方面,这也跟大脑的识别过程有关,在对基频、谐波、共振峰等进行判定时,会有多个结果。另外,在学习语言过程中或许你会注意到,在耳朵接收信号无差别的情况下,人们对自己所熟悉的语言更容易分辨出声音的细节,而对不熟悉的语言分辨能力就差一些,这也受到神经系统训练的影响。

甚至还存在各种感官相互干扰产生的错觉。感冒鼻塞时,吃东西都不香了;闻着可乐喝着雪碧,猜猜这是什么味道?饭店里偏红橙色的灯光照射着的小龙虾,似乎更鲜、更诱人。视觉和听觉也不例外。摘了眼镜看电视,没了演员的口部形状参考,似乎台词听起来都变得模糊了。心理学上的“麦格克效应”描述了这类现象:视觉信息与听觉信息相互作用,造成对语音感知的干扰。

什么是真实的世界呢?世界本身和我们的感知之间是怎样的关系?一方面,感官把外界的信号传递到大脑中被我们感知;另一方面,大脑的神经活动和自身经验,也会反过来影响我们对信息的分辨和加工,有时甚至与真实世界产生较大偏差。视听系统并不只是像摄像头、麦克风那样的单向信息传递系统,而是具有丰富的网络结构和大量的闭环反馈。所谓“真实性”只是相对的,生物更关心的其实是“合理性”和“适应性”。

借助现代科学仪器,我们可以从物理上更好地收集声音和光线,覆盖更宽的频域和强度范围,更广泛而精确、理性而定量地认识客观世界。然而,这辅助虽然强大,却无法完全替代人类自身进化了千秋万代的、即使有些缺陷却依然精妙无比的感官。

【延伸阅读】

动物的感官世界

在生物演化过程中,动物们的感官也会各有侧重。个头大的如鲸、象,对低频的声音更敏感。长期生活在深海或洞穴中的动物,常出现视觉退化的现象。在一些具有四色视觉的鸟类眼里,世界或许更加丰富多彩。蜜蜂等昆虫,可以看到紫外线,它眼里的花朵就有别样的光彩。在某些虾蛄科的动物如螳螂虾眼里,可以有多达十几种色觉感受器,甚至还能感知光的偏振性。不过很多哺乳动物都属于不同程度的“色盲”,更有众多动物只能感知光的明暗,却毫无色彩,甚至连形状都无法感知——它们的世界真的是太单调了。

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